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1、工程测量的仪器与方法工程测量学工程测量学 第四章第四章4 工程测量的仪器与方法 角度是几何测量的基本元素，包括水平角和垂直角。角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学经纬仪和电子经纬仪两大类。4.1 角度测量 光学经纬仪的基本结构 Wild T2 水平角观测：测回 方向 垂直角观测：三丝法 中丝法 在光学经纬仪的照准部中，将读数系统用电子度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读数的自动化，则成为电子经纬仪。用于电子经纬仪的角度传感器主要有两种：编码度盘和动态测角系统。电子经纬仪度盘容量与码道数的关系：度盘容量与码道数的关系：编码度盘测角原理编码度盘测角原理分辨率与码道数的关系：分辨率与码道数的关系：码道数
2、、分辨率有限，需采码道数、分辨率有限，需采用测微装置用测微装置(拓普康ET-2)光栅动态测角原理光栅动态测角原理设单位角度为：设单位角度为：则任一个角度均可表则任一个角度均可表示为：示为：利用内外光栅探测利用内外光栅探测器的信号延迟时间来器的信号延迟时间来测定。测定。n 利用四个标志之间的利用四个标志之间的时时 间隔来确定和检核。间隔来确定和检核。徕卡徕卡TC2000TC2000固定光栅探测器活动光栅探测器南方电子经纬仪徕卡卡T3000电子子经纬仪4.1.5 目标照准自动化 在角度测量时，ATR自动识别并照自动识别并照准目标主准目标主要有三个过程：目标搜索过程 目标照准过程 测量过程4.1.5
3、 目标照准自动化 4.1.6 陀螺经纬仪 方位角：坐标方位角 磁方位角（磁偏角）罗盘 真方位角（子午收敛角）陀螺经 纬仪或天文测量方法 陀螺经纬仪定向基本原理 将高速旋转的陀螺悬挂，陀螺在地球自转影响下，陀螺轴在子午线方向左右摆动，其摆动的平衡位置就是该点的子午线北方向。实现真北方向的测量陀螺经纬仪应用 真北方向的测量 竖井定向 辅助定向 隧道贯通4.1.6 陀螺经纬仪 4.1.6 陀螺经纬仪 4.1.6 陀螺经纬仪 距离是几何测量的基本元素，距离测量的方法主要有三种：直接丈量 间接视距测量 物理测距钢尺量距一般包括以下几方面工作：定线 量距 测量定向桩之间的高差 成果整理4.2.1 钢尺量距
4、 4.2.2 电磁波测距 4.2.2 电磁波测距 4.2.2 电磁波测距 电磁波测距仪的使用 测距仪一般由照准头、控制器、电源和反射器四部分组成，一般与经纬仪连接使用。仪器加常数和乘常数改正 气象改正 倾斜改正4.2.2 电磁波测距 4.2.3 双频激光干涉测量 4.2.3 双频激光干涉测量 4.2.4 偏距测量 激光经纬仪准直法激光经纬仪准直法 采用激光经纬仪准直时，活动觇牌法中的觇牌采用激光经纬仪准直时，活动觇牌法中的觇牌是由中心装有两个半圆的硅光电池组成的光电探测器。是由中心装有两个半圆的硅光电池组成的光电探测器。两个硅光电池各连接在检流表上，如激光束通过觇牌两个硅光电池各连接在检流表上
5、，如激光束通过觇牌中心时，硅光电池左右两半圆上接收相同的激光能量，中心时，硅光电池左右两半圆上接收相同的激光能量，检流表指针在零位。反之，检流表指针就偏离零位。检流表指针在零位。反之，检流表指针就偏离零位。这时，移动光电探测器使检流表指针指零，即可在读这时，移动光电探测器使检流表指针指零，即可在读数尺上读取读数。为了提高读数精度，通常利用游标数尺上读取读数。为了提高读数精度，通常利用游标卡尺，可读到卡尺，可读到0.1mm0.1mm。当采用测微器时，可直接读到。当采用测微器时，可直接读到0.01mm0.01mm。激光经纬仪准直法的操作要点为：激光经纬仪准直法的操作要点为：将激光经纬仪安置在端点将
6、激光经纬仪安置在端点A A上，在另一端点上，在另一端点B B上安置光电探测器。将光电探测器的读数安置到上安置光电探测器。将光电探测器的读数安置到零上。调整经纬仪水平度盘微动螺旋，移动激光零上。调整经纬仪水平度盘微动螺旋，移动激光束的方向，使在束的方向，使在B B点的光电探测器的检流表指针指点的光电探测器的检流表指针指零。这时，基准面即已确定，经纬仪水平度盘就零。这时，基准面即已确定，经纬仪水平度盘就不能再动。不能再动。依次在每个观测点处安置光电探测器，将望依次在每个观测点处安置光电探测器，将望远镜的激光束投射到光电探测器上，移动光束探远镜的激光束投射到光电探测器上，移动光束探测器，使检流表指针
7、指零，就可以读取每个观测测器，使检流表指针指零，就可以读取每个观测点相对于基准面的偏离值。点相对于基准面的偏离值。为了提高观测精度，在每一观测点上，探测器的为了提高观测精度，在每一观测点上，探测器的探测需进行多次。探测需进行多次。波带板激光准直法波带板激光准直法 波带板激光准直系统由三个部件组成：激光器点波带板激光准直系统由三个部件组成：激光器点光源，波带板装置和光电探测器。光源，波带板装置和光电探测器。用波带板激光准直系统进行准直测量如图所示。用波带板激光准直系统进行准直测量如图所示。波带板激光准直测量方形波带板 圆形波带板 在基准线两端点在基准线两端点A A、B B分别安置激光器点光源和探
8、分别安置激光器点光源和探测器。在需要测定偏离值的观测点测器。在需要测定偏离值的观测点C C上安置波带板。上安置波带板。当激光管点燃后，激光器点光源就会发射出一束激光，当激光管点燃后，激光器点光源就会发射出一束激光，照满波带板，通过波带板上不同透光孔的绕射光波之照满波带板，通过波带板上不同透光孔的绕射光波之间的相互干涉，就会在光源和波带板连线的延伸方向间的相互干涉，就会在光源和波带板连线的延伸方向线上的某一位置形成一个亮点（采用圆形波带板）或线上的某一位置形成一个亮点（采用圆形波带板）或十字线（采用方形波带板）。十字线（采用方形波带板）。根据观测点的具体位置，对每一观测点可以设计根据观测点的具体
9、位置，对每一观测点可以设计专用的波带板，使所成的象正好落在接收端点专用的波带板，使所成的象正好落在接收端点B B的位的位置上。利用安置在置上。利用安置在B B点的探测器，可以测出点的探测器，可以测出ACAC连线在连线在B B点处相对于基准面的偏离值点处相对于基准面的偏离值 ,则则C C点对基准面的偏离点对基准面的偏离值为：值为：偏离值计算 波带板激光准直系统中，在激光器点光源的小孔光栏后面安置一个机械斩波器，使激光束成为交流调制光，这样即可大大削弱太阳光的干涉，可以在白天成功地进行观测。尽管一些试验表明，激光经纬仪准直法，在照准精度上可以比直接用经纬仪时提高5倍，但对于很长的基准线观测，外界影
10、响（旁折光影响）已经成为精度提高的障碍，因而有的研究者建议将激光束包在真空管中以克服大气折光的影响。小关子水电站闸坝大气激光准直系统4.3.1 几何水准测量 电子水准仪的测量原理 由于生产电子水准仪的各厂家采用不同的专利，测量标尺也各不相同，因此读数原理各异，下面主要介绍徕卡和蔡司两家公司生产的电子水准仪的测量原理。4.3.1 几何水准测量 4.3.1 几何水准测量 徕卡电子水准仪原理4.3.1 几何水准测量 蔡司电子水准仪原理4.3.1 几何水准测量 电子水准仪的应用 由于电子水准仪优点显著，目前已经广泛应用于大地测量、工程测量、工业测量等领域。4.3.1 几何水准测量 4.3.2 液体静力
11、水准测量 液体静力水准测量原理液体静力水准测量液体静力水准测量n n测定高程的一种方法；n n应用范围：敷设电缆、确定自流管线标高、金属结构设备安装、大坝桥梁等基础沉降观测。n n特点：适合有辐射、危险、爆炸、蒸汽、尘土等恶劣工作环境。关键技术关键技术液面高度液面高度/位置的确定位置的确定 确定方法：目视法目视接触法电感、光感遥测法4.3.2 液体静力水准测量“飞来峡水利枢纽大坝安全监测自动化系统”中设置的静力水准仪坝基础廊道内的发电机厂房坝段和溢流坝段，分别设置了4 条静力水准线，共18 个静力水准仪测点和4 个校准点JSY-1型液体静力水准遥测装置4.3.3 三角高程测量 精密三角高程测量
12、精密三角高程测量n n测定高程的一种方法；n n应用前途：高精度全站仪的发展，使得精密三角高程测量在一定程度代替水准测量；n n特点：劳动强度较低，工作效率高。单向观测法：仪器安置在一个已知点（工作基点），观测到监测点的水平距离D、垂直角、仪器高i 和目标高v，计算高差h1 单向观测及其精度球气差系数 二二.较远距离的较远距离的三角高程测量三角高程测量二、较远距离的三角高程测量距离较远时，考虑地球曲率差和大气折光差对高差的影响，应对观测得到的高差加“两差”改正：球差改正：气差改正：两差改正：o球差改正：气差改正：两差改正：三角高程测量中的三角高程测量中的“球气差球气差”改正改正经研究，因大气折
13、光引起经研究，因大气折光引起的视线曲率半径约为地球的视线曲率半径约为地球曲率半径的曲率半径的7倍，倍，取取k=1/7上式中地球半径上式中地球半径R=6371 km，水平距离，水平距离D以以km为单位为单位 中间法：仪器安置在一个已知点（工作基点）和监测点之间，通过观测点到工作基点和监测点的水平距离D1和D2、垂直角1和2、目标高v1和v2，计算两点高差h2 中间法及其精度 对向观测法：仪器安置在一个已知点（工作基点）和监测点，观测两点的D1和D2、垂直角1和2、仪器高i1和i2、目标高v1和v2，计算两点高差h3 对向观测及其精度球气差系数 4.3.4 倾斜测量 4.4 准直测量 4.4 准直测量 4.4 准直测量 4.4 准直测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 三、激光跟踪仪 激光跟踪仪的基本组成：角度测量部分 距离测量部分 跟踪部分 控制部分 支撑部分4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.6 水深测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.5 坐标测量 4.7 其它测量仪器 4.7 其它测量仪器4.7 其它测量仪器